Trong cơng nghiệp phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy . Độ an tồn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay . Trong trường hợp chuyển động thẳng , việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy các cảm biến đo vận tốc gĩc đĩng vai tro quan trọng trong việc đo vận tốc . Để đo vận tốc gĩc thường ứng dụng các phương pháp sau đây :
1. Phƣơng pháp analog
Sử dụng tốc độ kế vịng kiểu điện từ . nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ . Cảm biến gồm cĩ hai phần : phần cảm (nguồn từ thong ) và phần ứng ( phần cĩ từ thơng đi qua ). Khi cĩ chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng , từ thơng đi qua phần ứng biến thiên, trong nĩ xuất hiện suất điện động cảm ứng xác đinh theo cơng thức:
d e
dt
Thơng thường từ thơng qua phần ứng cĩ dạng :
0 ( )x F x( )
Trong đĩ x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí gĩc hoặc quay theo đường
thẳng , khi đĩ suất điện động e xuất hiện trong phần ứng cĩ dạng :
0 ( ) dF x dx e dx dt
Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo
- Sử dụng tốc độ kế vịng loại xung : làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển
động của phần tử chuyển động tuần hồn , ví dụ chuyển động quay. Cảm biến loại này thường cĩ một đĩa được mã hĩa gắn với trục quay , chẳng hạn gồm các phần trong suốt xan kẽ các phần khơng trong suốt . Cho chùm sang chiếu qua đĩa đến đầu thu quang , xung điện lấy từ đầu thu quang cĩ tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo
2. phƣơng pháp quang điện tử
a) Dùng cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hĩa
Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED) . đĩa quay , đặt giữa nguồn sang và đầu thu , cĩ các lỗ bố trí cách đều trên một vịng trịn .Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor.Khi đĩa quay , đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng , lỗ , nguồn phát sáng thẳng hàng .Kết quả là khi đĩa quay , đầu thu quang
nhận được một thơng lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu cĩ tần số tỉ lệ với tốc
độ quay nhưng biên độ khơng phụ thuộc tốc độ quay.
Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang
Trong các cảm biến quang tốc độ , người ta cũng cĩ thể cùng đĩa quay cĩ các
vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hồn trên một vịng trịn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang
Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính :
- Số lượng lỗ trên đĩa
- Dải thơng của đầu thu quang và của mạch điện tử
Để đo tốc độ nhỏ( 0,1 vịng/ phút) phải dùng đĩa cĩ số lượng lỗ lớn (500-
1000 lỗ).Trong trường hợp đo tốc độ lớn (105
-106vịng / phút)phải sử dụng đĩa quay
chỉ một lỗ , khi đĩ tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại cĩ thể đo được.
Encoder với một bộ xung thì sẽ khơng thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các
Encoder mã hố đều cĩ bộ xung thứ 2 lệch pha 90° so với bộ xung thứ nhất và một
xung xác định thời gian Encoder quay một vịng.
Hình: Sơ đồthu phát Encoder tương đối
Xung A, xung B và xung điều khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ
quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại. xung Z xác định đã quay xong một vịng. Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vịng (độ phân giải của bộ
cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn .
c) Đĩa mã hĩa tuyệt đối
Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hố tương đối là khi mất nguồn số đếm sẽ bị mất, như vậy khi các cơ cấu ngừng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo dưỡng sửa chữa thì khi bật nguồn trở lại Encoder sẽ khơng thể xác định chính xác vị trí cơ cấu. Đĩa mã hố tuyệt đối được thiết kế để luơn xác định được vị trí vật một
cách chính xác.
Đĩa Encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vịng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm các phân đoạn chắn sáng và khơng chắn sáng.
- Vịng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vịng trịn nào.
- Kết hợp vịng trong cùng với vịng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở 1/4
vịng trịn nào.
Hình: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray)
- Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8, 1/16 …vv của vịng trịn, vịng
phân đoạn ngồi cùng cho ta độ chính xác cuối cùng.
- Loại Encoder này cĩ nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vịng nếu Encoder cĩ 10 vịng sẽ cĩ 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu Encoder cĩ 16 vịng sẽ cĩ 16 bộ nguồn sáng và thu.
- Đểđếm đo vận tốc hay vị trí (gĩc quay), cĩ thể sử dụng mã nhị phân hoặc mã Gray. Tuy nhiên thực tế chỉcĩ mã Gray được sử dụng phổ biến.
3. Nguyên tắc điệntrở từ
a) Các đơn vị từ trường và định nghĩa
Từ trường được định nghĩatheo một vài cách tương đương dựa trên hiệu ứng tác động
của nĩ lên mơi trường xung quanh.
Thơng thường người ta định nghĩa từ trường là lực tác dụng lên một hạt điện tích
chuyển động. Trong tĩnh điện họchạt cĩ điện tích qnằm trong điện trường Echịu một
lực bằng F = qE. Tuy vậy, khi hạt điện tích chuyển động trong vùng bao quanh dây
dẫn cĩ dịng điện, lực tác dụng lên hạt cũng phụ thuộc vào vận tốc của nĩ. Thật may là, thành phần lực phụ thuộc vận tốc tách biệt so thành phần lực điện trường, và tuân
theo định luật lực Lorentz
Ở đây vlà vận tốc của hạt và × ký hiệu của tích vectơ. Vectơ Bký hiệu cho từ trường,
và nĩ được coilà trường vectơ cần thiết để cho định luật lực Lorentz miêu tả đúng
chuyển động của hạt tích điện. Định nghĩa này cho phép xác định Bnhư sau:
Quá trình, "Đo hướng và độ lớn của vectơ Btại mỗi vị trí," thực hiện theo các bước:
Dùng một hạt đã biết cĩ điện tích q. Đo lực tác dụng lên qkhi nĩ đứng yên nhằm xác
định E. Sau đĩ đo lực tác động lên hạt khi nĩ chuyển động với vận tốc v theo một
hướng; lặp lại phép đo cho hạt với vận tốc v ở một hướng khác. Lúc này vectơ B
trong định luật lực Lorentz thỏa mãn tất cả các phép đo chính là từ trường tại mỗi vị
trí cần đo. Một cách khác, người ta xác định từ trường thơng qua ngẫu lực mà nĩ tác
động lên một lưỡng cực từ (xem ngẫu lực từ trên nam châm vĩnh cửubên dưới).
Cĩ hai loại từ trường, H và B. Trong chân khơng chúng thể hiện giống nhau, chỉ khác
nhau về độ lớn. Nhưng bên trong vật liệu hay mơi trường vật chất (xem H và B bên
trong và ngồi vật liệu từ) chúng cĩ tính chất khác nhau. Về mặt lịch sử, thuật ngữ từ
trường cĩ ký hiệu là H trong khi các nhà vật lý sử dụng thuật ngữ khác cho B. Ngày
nay, các sách vật lý đều sử dụng thuật ngữ từ trường cho cả hai ký hiệu B và H.Cĩ
một vài tên gọi khác nhau cho cả hai.
Trong hệ SI, Bcĩ đơn vị tesla (T) và tương ứng ΦB (từ thơng) cĩ đơn vị weber (Wb)
do vậy mật độ thơng lượng 1 Wb/m2 bằng 1 tesla. Đơn vị SI của tesla bằng
(newton•giây)/(coulomb•mét).Trong đơn vị Gauss-cgs, B cĩ đơn vị gauss (G) (và 1 T
= 10.000 G) Trường Hcĩ đơn vị ampere trên mét (A/m) trong hệ SI, và oersted (Oe)
trong hệ CGS.
b) Cảm biến điện trở từ.
Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây cĩ lõi sắt từ chịu tác dụng của một nam châm vĩnh cữu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt
từ trên cĩ khía răng .Khi đĩa quay , từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hồn
làm cho từ thơng qua cuộn dây biến thiên , trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng cĩ tần số tỉ lệ với tốc độ quay
Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên
Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức :
f = p.n
p : Số lượng răng trên đĩa và n : số vịng quay của đĩa trịn trong một giây Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố :
- Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay : khoảng cách càng lớn E càng nhỏ .
- Tốc độ quay : tốcđộ quay càng lớn , E càng lớn . Khi tốc độ quay nhỏ , biên
độ E rất bé và khĩ phát hiện , do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay khơng thể đo được , người ta gọi vùng này là vùng chết
Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa . Khi p lớn tơc độ nminđo được
cĩ giá trị bé .Khi p nhỏ , tốc độ nmaxđo được sẽ lớn .
Thí dụ với p=60 răng , dải tốc độ đo được n=50-500 vịng/phút , cịn với p =15
răng dải tốc độ đo được 500-10.000 vịng /phút .